Standsicherheitsnachweis eines Schüttsteinwellenbrechers
Standsicherheitsuntersuchung eines Steinschüttungs-Wellenbrechers unter Wellen-, Wellenrücklauf- und seismischer Belastung
1. Einleitung
Wellenbrecher sind während ihrer Nutzungsdauer Belastungen ausgesetzt, die erheblich variieren können. Zusätzlich zum ständigen Eigengewicht des Bauwerks müssen bei der Untersuchung gegebenenfalls direkte Wellenpressungen, Wellenauflauf, Änderungen der hydraulischen Randbedingungen und seismische Einwirkungen berücksichtigt werden. Jede dieser Bedingungen kann für einen unterschiedlichen Aspekt der Bemessung maßgebend sein.
Dieses Beispiel behandelt die Untersuchung eines Steinschüttungs-Wellenbrechers mit einer Stahlbeton-Kronenwand mithilfe von DeepEX. Es werden drei Belastungszustände untersucht:
Direkte Wellenbelastung auf der seeseitigen Wandfläche der Kronenwand;
Wellenauflauf entlang der seeseitigen Böschung;
Seismische Belastung.
Die Untersuchung berücksichtigt die globale Standsicherheit des Wellenbrechers und seiner Gründung sowie die lokale Standsicherheit und das Tragwerksverhalten der Kronenwand. Die Ergebnisse zeigen, dass der für die globale Standsicherheit maßgebende Belastungszustand nicht zwangsläufig auch für die lokalen Nachweise der Kronenwand maßgebend ist.
A. Beschreibung der Untersuchung
Das Modell stellt einen auf einer Reibungsgründung errichteten Steinschüttungs-Wellenbrecher dar. Der Wellenbrecher besteht aus einem Kern aus gebrochenem Fels, Filter- und Übergangsschichten sowie äußeren Deckschichten. Eine Stahlbeton-Kronenwand ist nahe der seeseitigen Seite der Krone angeordnet.
Die Geometrie des Wellenbrechers wird mit dem DeepEX Breakwater Wizard erstellt.
Geometrie des Wellenbrechers
Die Hauptkrone des Wellenbrechers liegt auf der Höhe +8.0 m und weist eine Gesamtbreite von 17.5 m auf. Die Hauptböschung auf der Seeseite hat eine Neigung von 2H:1V, während die Hafenseite eine Neigung von 1H:1V aufweist.
Am Fuß der seeseitigen Böschung ist eine Fußberme vorgesehen. Die Fußberme ist 2.0 m hoch und 4.0 m breit und weist an ihrer Außenseite eine Böschungsneigung von 1,5H:1V auf. Der Kern aus gebrochenem Fels wird am Fuß um 2.0 m verlängert.
Die Höhe des Meeresbodens beträgt −10.0 m, während der Ruhewasserspiegel auf beiden Seiten des Wellenbrechers auf der Höhe 0,0 m liegt.
Tabelle 1. Im Modell des Wellenbrechers angesetzte Hauptabmessungen.
Parameter | Angesetzter Wert |
Höhe der Hauptkrone des Wellenbrechers | +8.0 m |
Gesamtbreite der Krone | 17.5 m |
Hauptböschung seeseitig | 2H:1V |
Seeseitige Frontböschung | 1.5H:1V |
Böschung auf derHafenseite | 1H:1V |
Höhe der Fußberme | 2.0 m |
Breite der Fußberme | 4.0 m |
Neigung der Fußberme | 1.5H:1V |
Höhe der Kernverlängerung am Fuß | 2.0 m |
Länge der Kernverlängerung am Fuß | 2.0 m |
Höhe des Meeresbodens | −10.0 m |
Höhe des Ruhewasserspiegels | 0.0 m |
Materialien des Wellenbrechers und Deckschichten
Der Hauptkörper des Wellenbrechers besteht aus gebrochenem Fels. Eine 1.0 m dicke Gesteinsfilterschicht trennt den Kern von der äußeren Deckschicht.
Es sind zwei Deckschichten vorgesehen:
Eine 2.0 m dicke Schicht aus Betonblöcken auf der Seeseite;
Eine 1.5 m dicke Steinschüttungsschicht entlang der seeseitigen und hafenseitigen Böschungen.
Tabelle 2. Im Modell des Wellenbrechers angesetzteMaterialien und Deckschichten.
Bestandteil des Wellenbrechers | Material | Dicke |
Kern | Gebrochener Fels | Durch die Geometrie des Wellenbrechers definiert |
Filterschicht | Gestein | 1.0 m |
Primäre seeseitige Deckschicht | Betonblöcke | 2.0 m |
Sekundäre Deckschicht | Steinschüttung | 1.5 m |
Die Gründung und die Bestandteile des Wellenbrechers werden durch Reibungsmaterialien dargestellt. Die angesetzten Wichten und Scherfestigkeitsparameter sind in Tabelle 3 angegeben. Die Kohäsion wird für alle Materialien vernachlässigt; die Untersuchungen stützen sich zur Darstellung des Scherwiderstands auf die jeweiligen Reibungswinkel.
Tabelle 3. In der Untersuchung angesetzte Festigkeitsparameter der Böden und Materialien.
Material | γₜ (kN/m³) | c′ (kPa) | sᵤ (kPa) | φ′ (°) |
F | 19.62 | 0 | — | 32° |
TBR | 11 | 0 | — | 60° |
CBL | 23 | 0 | — | 50° |
RRP | 18 | 0 | — | 45° |
TROCKS | 18 | 0 | — | 60° |
QRK | 18 | 0 | — | 42° |
Geometrie der Kronenwand
Die Kronenwand erstreckt sich von der Höhe +7.0 m bis +12.0 m und weist damit eine Gesamthöhe von 5.0 m auf. Die Wand besitzt einen 1.5 m dicken Schaft, eine 5.0 m breite Sohle und eine 1.0 m dicke Bodenplatte.
Tabelle 4. Hauptabmessungen der Kronenwand.
Parameter | Angesetzter Wert |
Höhe der Oberkante der Kronenwand | +12.0 m |
Höhe der Kronenwand | 5.0 m |
Schaftdicke | 1.5 m |
Sohlenbreite | 5.0 m |
Bodenplattendicke | 1.0 m |
Angezeigte Biegemomententragfähigkeit | 1,061.6 kN·m/m |
Die Kronenwand wird getrennt hinsichtlich Sohlpressungswiderstand, passivem Erdwiderstand, Rotation, Fußstandsicherheit, Sohlenstabilität und konstruktiver Biegung nachgewiesen. Diese lokalen Nachweise werden gemeinsam mit der globalen Standsicherheitsuntersuchung des gesamten Wellenbrechers betrachtet.
B. Methodik
Belastungszustände
Der Wellenbrecher wird unter drei unterschiedlichen Belastungsbedingungen untersucht.
Belastungszustand 1 – Direkte Wellenbelastung
Im ersten Belastungszustand werden Wellenpressungen auf die seeseitige Fläche der Kronenwand aufgebracht. Die Druckverteilung umfasst die horizontale Wellenwirkung und den Auftrieb, der unter dem seeseitigen Bereich der Wandsohle wirkt.
Dieser Belastungszustand dient zur Bewertung von:
Welleninduzierten Pressungen auf die Kronenwand;
Auftrieb unter der Wandsohle;
Biegung der Kronenwand;
Lokaler Fuß-, passiver Widerstands-, Sohlpressungs- und Rotationsstandsicherheit;
Globaler Standsicherheit des Wellenbrechers und der Gründung;
Wellenüberlauf.
Belastungszustand 2 – Wellenauflauf
Der zweite Belastungszustand stellt den Wellenauflauf entlang der seeseitigen Böschung des Wellenbrechers dar. Beim Auflaufen der Wellen auf die Böschung erreicht das Wasser eine Höhe oberhalb des Ruhewasserspiegels und verändert die auf das Bauwerk wirkende hydraulische Belastung.
Dieser Belastungszustand wird separat untersucht, um die globale Standsicherheit des Wellenbrechers und die entsprechende lokale Reaktion der Kronenwand unter der angesetzten Wellenauflaufbedingung zu bewerten.
Belastungszustand 3 – Seismische Belastung
Der dritte Belastungszustand umfasst die seismische Einwirkung. Horizontale und vertikale Bemessungsbeschleunigungen werden angesetzt, und die daraus resultierenden seismischen Erddrücke werden nach dem Verfahren von Mononobe–Okabe berechnet.
Dieser Belastungszustand dient zur Bewertung des Verhaltens des Wellenbrechers und der Kronenwand unter Erdbebenbelastung, ohne die seismische Einwirkung mit der direkten Wellenpressungsbedingung zu kombinieren.
Parameter der Wellenanalyse
Der Wellenauflauf wird nach der Methode TAW 2002a berechnet, während der Wellenstoß nach dem Ansatz von Pedersen 1986 bewertet wird. Die seeseitige Wellenpressungsverteilung wird nach der von McConnell modifizierten Sainflou-Methode berechnet.
Es werden eine signifikante Wellenhöhe von 3,0 m und eine Spitzenperiode von 9,0 s angesetzt. Es wird angenommen, dass die einlaufende Welle normal zum Wellenbrecher wirkt.
Tabelle 5. Hauptparameter der Welle und Berechnungsmethoden.
Wellenparameter oder Option | Angesetzter Wert oder Methode |
Bemessungsmethode | Berechnung des Wellenauflaufs |
Methode für den Wellenauflauf | TAW 2002a |
Überschreitungswahrscheinlichkeit des Wellenauflaufs | 0.1% |
Methode für den Wellenstoß | Pedersen 1986 |
Seeseitige Druckmethode | Sainflou, modified by McConnell |
Oberflächentyp | Beton |
Deckschichttyp | Würfel/Blöcke |
Zulässige Beschädigung derDeckschicht | 5% |
Methode für den Wellenrücklauf | Thomson and Shuttler 1975 |
Signifikante Wellenhöhe, Hₛ | 3.0 m |
Höhe der einlaufenden Welle am Fuß | 3.0 m |
Lokale Wellenhöhe | 3.0 m |
Neigungswinkel der Welle zur Wandnormalen | 0° |
Spitzenperiode, Tₚ | 9.0 s |
Periode zu H₁⁄₃ | 8.0 s |
Mittlere Wellenperiode | 7.0 s |
Lokale Wellenperiode | 6.0 s |
Sturmdauer | 6 h |
Korrekturfaktor für den Durchfluss | 0.7 |
Methode zur Wellenreflexion | Postma 1989 |
Methode zur Berechnung des Wellenüberlaufs | Automatische Auswahl nach EurOtop |
Auftrieb unter der seeseitigen Wandsohle | Enthalten |
Faktor für den Sohlendruck bei niedrigen Wellen | 0.5 |
Seismische Parameter
Es werden horizontale und vertikale Bemessungsbeschleunigungen von 0.14g bzw. 0.02g angesetzt. Die Kronenwand wird als flexibel betrachtet, mit einem benutzerdefinierten Tragwerksreaktionsfaktor R = 1,0.
Die seismischen Erddrücke werden nach dem Verfahren von Mononobe–Okabe berechnet und als äußere Drücke angesetzt. Die Druckverteilung nach der Mononobe–Okabe-Gleichung gemäß Eurocode 8 wird ausgewählt, und der seismische Erddruckresultierende wird bis zur Unterkante der Wand berechnet.
Tabelle 6. Hauptparameter der seismischen Untersuchung.
Seismischer Parameter oder Option | Angesetzter Wert |
Horizontale Bemessungsbeschleunigung | 0.14g |
Vertikale Bemessungsbeschleunigung | 0.02g |
Wandverhalten | Flexibel |
Tragwerksreaktionsfaktor, R | 1.0 |
Methode für seismischen Druck | Mononobe–Okabe |
Option für die Druckverteilung | Mononobe–Okabe-Gleichung nach Eurocode 8 |
Wasserverhalten | Undurchlässig |
Angriffshöhe des seismischen Erddrucks | Bis zur Unterkante der Wand berechnet |
Wandinertie | Nicht berücksichtigt |
Untersuchung der globalen Standsicherheit
Die globale Standsicherheit wird mit dem Verfahren nach Morgenstern–Price unter Verwendung kreisförmiger Gleitflächen bewertet. Bei der Suche werden mögliche Versagensmechanismen berücksichtigt, die durch den Körper des Wellenbrechers und die darunterliegende Gründung verlaufen.
Der globale Sicherheitsbeiwert wird für jeden Belastungszustand unabhängig berechnet. Dieser Nachweis ist von den lokalen Nachweisen der Kronenwand getrennt und darf nicht als Ersatz für diese verwendet werden.
Nachweise der Kronenwand
Die Kronenwand wird hinsichtlich folgender Kriterien bewertet:
Sohlpressungswiderstand unter der Sohle;
Passiver Widerstand am Wandfuß;
Rotationsstandsicherheit;
Erforderliche Einbindetiefe am Fuß;
Sohlenstabilität;
Biegetragfähigkeit des Tragwerks.
Der Belastungszustand mit direkter Wellenpressung umfasst außerdem die angesetzte Wellenpressungsverteilung und den Auftrieb unter der Wandsohle.
2. Ergebnisse und Diskussion
Die drei Belastungszustände führen zu unterschiedlichen globalen und lokalen Reaktionen. Der seismische Belastungszustand ist für die globale Standsicherheit des Wellenbrechers maßgebend, während der Belastungszustand mit direkter Wellenpressung den lokalen Fußnachweis der Kronenwand bestimmt.
Hauptergebnisse
Tabelle 7. Vergleich der wesentlichen Standsicherheitsergebnisse für die drei Belastungszustände.
Ergebnis | Direkte Wellenpressung | Wellenauflauf | Seismische Einwirkung |
Globaler Sicherheitsbeiwert | 2.134 | 2.148 | 1.268 |
Rotations-Sicherheitsbeiwert | 2.237 | 9.114 | 92.297 |
Sicherheitsbeiwert der Sohlenstabilität | 3.249 | 3.249 | 3.249 |
Angezeigter Überlaufabfluss | 0 | — | — |
¹ Die Ausgabe für die direkte Wellenpressung weist einen negativen Sicherheitswert für den passiven Widerstand/Wandfuß von −9.906 aus und kennzeichnet den Fußnachweis als nicht erfüllt. Dieses Ergebnis ist als nicht erfüllter lokaler Nachweis und nicht als physikalisch sinnvoller negativer Sicherheitsbeiwert zu interpretieren.
Belastungszustand mit direkter Wellenpressung
Der Belastungszustand mit direkter Wellenpressung ergibt einen globalen Sicherheitsbeiwert von 2.134. Die maßgebende kreisförmige Gleitfläche verläuft durch den Wellenbrecher und reicht in die Gründung hinein, was für die untersuchte Wellenbedingung auf eine vergleichsweise hohe globale Standsicherheitsreserve hinweist, vorbehaltlich der projektspezifischen Akzeptanzkriterien.
Die lokalen Ergebnisse der Kronenwand sind weniger günstig.Obwohl der Rotations-Sicherheitsbeiwert 2.237 und der Sicherheitsbeiwert der Sohlenstabilität 3.249 betragen, sind die Nachweise für den passiven Widerstand und den Wandfuß nicht erfüllt. DeepEX weist einen minimalen Sicherheitswert am Fuß von −9,906 aus; die erforderliche Fußtiefe für FS = 1,0 kann nicht berechnet werden.
Dies bedeutet, dass der ausreichende globale Sicherheitsbeiwert für sich allein nicht die ausreichende Bemessung der Kronenwand bestätigt. Das lokale Versagen sollte durch Überprüfung der folgenden Punkte untersucht werden:
Größe und Verteilung der Wellenpressungen;
Auftrieb unter der Wandsohle;
Richtung und Angriffsseite der Welle;
Verfügbarer passiver Widerstand vor der Wand;
Abmessungen der Kronenwandsohle und Geometrie des Wandfußes;
Grenzflächeneigenschaften zwischen der Betonsohle und dem darunterliegenden Material.
Die angezeigte Biegebeanspruchung der Wand liegt deutlich unterhalb der angegebenen Momententragfähigkeitvon1,061.6 kN·m/m. Das maßgebende Ergebnis steht daher im Zusammenhang mit dem lokalen Gleichgewicht zwischen Wand und Gründung und nicht mit dem Biegewiderstand des Betonquerschnitts.
Belastungszustand mit Wellenrücklauf
Der Belastungszustand mit Wellenrücklauf ergibt den niedrigsten globalen Sicherheitsbeiwert:
FSglobal = 2.148
Dieses Ergebnis liegt etwa 0.7% über dem Wert von 2.134 für die direkte Wellenpressung und etwa 69% über dem seismischen Ergebnis von 1.268. Der Wellenauflauf ist daher für die globale Standsicherheit des untersuchten Wellenbrechers nicht maßgebend.
Die lokalen Nachweise der Kronenwand sind für diesen Belastungszustand ebenfalls erfüllt. Der minimale Sicherheitsbeiwert am Fuß beträgt 1.621, der Rotations-Sicherheitsbeiwert 9.114 und der Sicherheitsbeiwert der Sohlenstabilität 3.249. Die erforderliche Einbindetiefe am Fuß für FS = 1,0 wird mit 0.8 m angegeben.
Obwohl dieser Belastungszustand für das aktuelle Modell nicht maßgebend ist, bleibt der Wellenauflauf eine wichtige Bemessungsbedingung, da er die hydraulische Belastung, die maximale Wasserhöhe entlang der seeseitigen Böschung und den möglichen Wellenüberlauf beeinflusst.
Seismischer Belastungszustand
Der seismische Belastungszustand ergibt den niedrigsten globalen Sicherheitsbeiwert:
FSglobal = 1.268
Dieser Wert liegt etwa 41% unter dem Ergebnis der direkten Wellenpressung und etwa 41% unter dem Ergebnis des Wellenauflaufs. Der seismische Belastungszustand ist daher für die globale Standsicherheit des untersuchten Wellenbrechers maßgebend.
Die Verringerung der globalen Standsicherheit spiegelt die zusätzlichen destabilisierenden Wirkungen der angesetzten horizontalen und vertikalen Beschleunigungen sowie der nach dem Verfahren von Mononobe–Okabe berechneten seismischen Erddrücke wider.
Obwohl der seismische Belastungszustand für die globale Standsicherheit maßgebend ist, bestimmt er nicht die lokalen Nachweise der Kronenwand. Der minimale Sicherheitsbeiwert am Fuß beträgt 13.201, während der Rotations-Sicherheitsbeiwert 92.297 beträgt. Die erforderliche Einbindetiefe am Fuß für FS = 1,0 beträgt 0.5 m, und der Sicherheitsbeiwert der Sohlenstabilität bleibt bei 3.249.
Der globale Sicherheitsbeiwert von 1.268 sollte mit dem für die maßgebende seismische Bemessungssituation angesetzten Akzeptanzkriterium verglichen werden. Falls ein höherer Mindestwert erforderlich ist, müssen gegebenenfalls die Geometrie des Wellenbrechers, die Böschungskonfiguration, die Materialfestigkeiten, der Gründungswiderstand oder die angesetzten seismischen Parameter überprüft werden.
Vergleich der Belastungsbedingungen
Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Belastungszustände für unterschiedliche Grenzzustände maßgebend sein können.
Der seismische Belastungszustand bestimmt die globale Standsicherheitsbewertung und ergibt mit 1.268 den niedrigsten globalen Sicherheitsbeiwert. Die Belastungszustände mit direkter Wellenpressung und Wellenauflauf ergeben mit 2.134 bzw. 2.148 ähnliche globale Sicherheitsbeiwerte.
Demgegenüber ist der Belastungszustand mit direkter Wellenpressung für den lokalen Nachweis der Kronenwand maßgebend, da die Nachweise für den passiven Widerstand und den Wandfuß unter den angesetzten Wellen- und Auftriebsdrücken nicht erfüllt sind. Die Belastungszustände mit Wellenauflauf und seismischer Einwirkung liefern für die untersuchten Bedingungen zufriedenstellende lokale Ergebnisse der Kronenwand.
Diese Unterscheidung zeigt, warum globale und lokale Standsicherheitsnachweise getrennt betrachtet werden müssen. Ein zufriedenstellendes Ergebnis der globalen Gleitflächenuntersuchung garantiert keinen ausreichenden Widerstand gegen Gleiten, Rotation, Sohlpressungsversagen oder Verlust des Fußwiderstands an der Kronenwand. Ebenso bestätigen zufriedenstellende lokale Nachweise der Kronenwand nicht die globale Standsicherheit des vollständigen Systems aus Wellenbrecher und Gründung.
3. Schlussfolgerungen
Dieses Beispiel untersucht einen Steinschüttungs-Wellenbrecher mit einer Stahlbeton-Kronenwand unter direkter Wellenbelastung, Wellenauflauf und seismischer Einwirkung.
Der Belastungszustand mit direkter Wellenpressung ergibt einen globalen Sicherheitsbeiwert von 2.134. Die Nachweise für den passiven Widerstand und den Wandfuß der Kronenwand sind jedoch unter den angesetzten Wellen- und Auftriebsdrücken nicht erfüllt. Dieses lokale Versagen muss behoben werden, auch wenn das Ergebnis der globalen Standsicherheit vergleichsweise hoch ist.
Der Belastungszustand mit Wellenauflauf ergibt den höchsten globalen Sicherheitsbeiwert mit FS = 2.148. Die lokalen Nachweise der Kronenwand sind ebenfalls erfüllt, mit einem minimalen Sicherheitsbeiwert am Fuß von 1.621.
Der seismische Belastungszustand ist für die globale Standsicherheit maßgebend und ergibt unter den angesetzten horizontalen und vertikalen Bemessungsbeschleunigungen von 0.14g und 0.02g einen Sicherheitsbeiwert von 1.268. Obwohl die lokalen Nachweise der Kronenwand erhebliche Standsicherheitsreserven zeigen, sollte das globale seismische Ergebnis mit dem für die maßgebende seismische Bemessungssituation festgelegten Akzeptanzkriterium verglichen werden.
Das Beispiel verdeutlicht die Bedeutung der Untersuchung mehrerer repräsentativer Belastungszustände. Direkte Wellenpressung, Wellenauflauf und seismische Einwirkung beeinflussen das Bauwerk auf unterschiedliche Weise und können für verschiedene Grenzzustände maßgebend sein. Eine vollständige Untersuchung eines Wellenbrechers sollte daher sowohl die globale Standsicherheit des Systems aus Wellenbrecher und Gründung als auch die lokale Standsicherheit und Tragfähigkeit der Kronenwand berücksichtigen.
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